机械设计课程设计双级斜齿圆柱齿轮减速器(展开式).doc

机械设计课程设计
计算说明书

设计题目 双级斜齿圆柱齿轮减速器（展开式）

目 录

一．设计任务书……………………………………………… 2
二．传动方案的拟定及说明………………………………… 4
三．齿轮设计计算…………………………………………… 6
四．轴的设计计算……………………………………………13
五．轴的校核…………………………………………………18
六．滚动轴承的寿命计算……………………………………27
七．键的选择及校核…………………………………………29
八．滚动轴承的组合设计……………………………………31
九．润滑和密封………………………………………………31
十．减速器附件的选择………………………………………32
十一．设计小结………………………………………………33
十二．参考文献………………………………………………33

一、设计任务书

题目4.设计一用于带式运输机传动装置中的三轴线双级斜齿圆柱齿轮减速器。
（一） 总体布置简图

1— 电动机；2—联轴器；3—齿轮减速器；4—带式运输机；5—联轴器；6—鼓轮

（二） 工作情况
载荷平稳，单向旋转。
（三） 原始数据
题号1：
鼓轮的扭矩T (N•m)
300
鼓轮的直径D (mm)
300
运输带速度V (m/s)
0.9
带速允许偏差 (%)
5
使用期限 (年)
5
工作制度 (班/日)
2
（四） 设计内容
1、 电动机的选择与运动参数计算；
2、 斜齿轮传动设计计算；
3、 轴的设计；
4、 滚动轴承的选择；
5、 键和联轴器的选择与校核；
6、 装配图、零件图的绘制；
7、 设计计算说明书的编写。
（五） 设计任务
1、 减速器总装配图1张（1号图纸）；
2、 齿轮、轴零件图各1张（3号图纸）；
3、 设计计算说明书1份。
（六） 设计进度
1、 第一阶段：传动装置总体设计计算、传动零件设计计算；
2、 第二阶段：轴、轴承、联轴器等计算和选择，轴系装配草图；
3、 第三阶段：箱体设计、总装配图设计、零件图设计和说明书编写；
4、 第四阶段：答辩。

设计计算及说明
主要结果
二、 传动方案的拟定及说明

（一）传动方案设计
展开式双级斜齿圆柱齿轮传动
总体布置简图见任务书

（二）电动机的选择
1. 电动机类型和结构形式
按工作要求和工作条件，选用一般用途的Y(IP44)系列三相
异步电动机，卧式封闭结构。
2. 电动机容量
（1）鼓轮的输出功率Pw
输出轴转速
取工作机的传动效率，则鼓轮轴所需功率

（2） 电动机的输出功率Pd
传动装置总效率
由表2-4查得，弹性联轴器，圆柱齿轮传动，滚动轴承
故总效率
输出功率

（3） 电动机额定功率Ped
由表20-1选取电动机额定功率Ped=2.2kW
3. 电动机转速
选择电动机同步转速为1000r/min
确定电动机型号为Y112M-6
额定功率2.2kW，满载转速940r/min,质量45kg
4. 电动机外形和安装尺寸
由表20-2查得Y112M电动机，轴心高H=112mm，总长L=400mm
轴外伸长度E=60mm，轴径D=28mm

（三） 传动比的分配
满载转速nm=940r/min，总传动比

由表2-1得圆柱齿轮单级传动比推荐值为3~6
展开式齿轮传动：高速级传动比i1，低速级传动比i2，通常取，
所以

（四） 传动装置的运动与动力参数
1. 各轴转速n(r/min)

2. 各轴输入功率P（kW）
为使设计出的传动装置结构较为紧凑，计算时按电动机的输出功率（P0=Pd）计算

3. 各轴输入转矩T(N•m）

上述结果整理后归于下表

高速轴Ⅰ
中间轴Ⅱ
低速轴Ⅲ
转速/(r/min)
940
203.5
57.3
功率/kW
2.129
2.034
1.943
转矩/(N•m)
21.64
95.27
323.22

电动机型号为Y112M-6

三、 齿轮设计计算

（一）高速级齿轮设计
1. 选择精度等级、材料及齿数
1） 运输机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。
2） 材料选择：由《机械设计》表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45号钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。
3） 选小齿轮齿数z1=21，z2=21x4.62=97.02，取z2=97。
4） 选取螺旋角。初选螺旋角。
2. 按齿面接触强度设计
按《机械设计》式（10－21）试算，即

（1）确定公式内的各计算数值
1）试选 。
2）由图10-30，取区域系数 。
3）由表10-6，取弹性影响系数。
4）由表10-7，取齿宽系数。
5）由图10-26查得。
6）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限；大齿轮接触疲劳强度极限。
7）由式10-13计算应力循环次数

8） 由图10-19取接触疲劳寿命系数。
9） 计算接触疲劳许用应力。
取安全系数S=1，由式（10-12）得

（2） 计算
1） 试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得

2） 计算圆周速度。

3） 计算齿宽b及模数mnt。

4） 计算纵向重合度。

5） 计算载荷系数K。
已知使用系数，根据，7级精度，由图10-8查得动载系数；由表10-4查得;
由图10-13查得；
由表10-3查得。故载荷系数

6） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a)

7） 计算模数mn。

3. 按齿根弯曲强度设计
由式（10-17）

（1） 确定计算参数
1） 计算载荷系数。

2） 根据纵向重合度，从图10-28查得螺旋角影响系数。
3） 计算当量齿数。

4） 查取齿形系数。
由表10-5查得
5） 查取应力校正系数。
由表10-5查得
6） 由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限。
7） 由图10-18取弯曲疲劳寿命系数。
8） 计算弯曲疲劳许用应力。
去弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得

9） 计算大小齿轮的并加以比较。

大齿轮的数值大。
（2） 设计计算

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数mn大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取mn=1.5mm，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=37.50mm来计算应有的齿数。于是由

取，则。
4. 几何尺寸计算
（1） 计算中心距

将中心距圆整为104mm。
（2） 按圆整后的中心距修正螺旋角

因改变不多，故参数等不必修正。
（3） 计算大、小齿轮分度圆直径

（4） 计算齿轮宽度

圆整后取。

（二） 低速级齿轮设计
1. 选择精度等级、材料及齿数
1）运输机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。
2）材料选择：由《机械设计》表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45号钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。
3）选小齿轮齿数z1=24，z2=24x3.55=85.2，取z2=85。
4）选取螺旋角。初选螺旋角。
2. 按齿面接触强度设计
按《机械设计》式（10－21）试算，即

（1）确定公式内的各计算数值
1）试选 。
2）由图10-30，取区域系数 。
3）由表10-6，取弹性影响系数。
4）由表10-7，取齿宽系数。
5）由图10-26查得。
6）由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限；大齿轮接触疲劳强度极限。
7）由式10-13计算应力循环次数

10） 由图10-19取接触疲劳寿命系数。
11） 计算接触疲劳许用应力。
取安全系数S=1，由式（10-12）得

（3） 计算
8） 试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得

9） 计算圆周速度。

10） 计算齿宽b及模数mnt。

11） 计算纵向重合度。

12） 计算载荷系数K。
已知使用系数，根据，7级精度，由图10-8查得动载系数；由表10-4查得;
由图10-13查得；
由表10-3查得。故载荷系数

13） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a)

14） 计算模数mn。

3. 按齿根弯曲强度设计
由式（10-17）

（2） 确定计算参数
10） 计算载荷系数。

11） 根据纵向重合度，从图10-28查得螺旋角影响系数。
12） 计算当量齿数。

13） 查取齿形系数。
由表10-5查得
14） 查取应力校正系数。
由表10-5查得
15） 由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限。
16） 由图10-18取弯曲疲劳寿命系数。
17） 计算弯曲疲劳许用应力。
去弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得

18） 计算大小齿轮的并加以比较。

大齿轮的数值大。
（3） 设计计算

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数mn大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取mn=2mm，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径d1=37.50mm来计算应有的齿数。于是由

取，则。
4. 几何尺寸计算
（5） 计算中心距

将中心距圆整为136mm。
（6） 按圆整后的中心距修正螺旋角

因改变不多，故参数等不必修正。
（7） 计算大、小齿轮分度圆直径

（8） 计算齿轮宽度

圆整后取。

四、 轴的设计计算

（一） 高速轴的设计计算
1. 已知该轴的功率、转矩、转速

2. 计算作用在齿轮上的力

3. 初步确定轴的最小直径
先按《机械设计》式15-2初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为40Cr，调质处理。根据表15-3，由于该轴为伸出轴，最小直径在伸出端，弯矩较小，故A0取较小值，A0=100，于是得

最小直径为安装联轴器处直径。
按有一个键槽增大轴径7%，则。
为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。
联轴器的计算转矩，查表14-1，运输机取，则
按照计算转矩应小于联轴器公称转矩，查手册，选用LT4型弹性套柱销联轴器（）
其公称转矩为。半联轴器的孔径取20mm，故取轴径为20mm，半联轴器长度L=52mm，与轴配合段毂孔长度L1=38mm。

4. 轴的结构设计
（1） 拟定轴上零件的装配方案

根据设计要求，选择如图所示装配方案（详见装配图），由于轴径与小齿轮直径相差不大，故轴与齿轮采用一体的加工方案。
（2） 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1） 为了满足半联轴器的轴向定位要求，Ⅰ-Ⅱ轴段右端需制出一轴肩，故取Ⅱ-Ⅲ段直径22mm。为保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，Ⅰ-Ⅱ段长度应比L1略短一些，取37mm。为留出装拆弹性套柱销的的必要距离，Ⅱ-Ⅲ段长度应适当取大一些。
2） 初步选择滚动轴承。因轴承所受轴向力、径向力不大，故选用单列深沟球轴承。初选02系列、标准精度级的单列深沟球轴承6205，尺寸。
其余尺寸如图所示。
3） 键的选择。
查《机械设计课程设计》表14-1选择Ⅰ-Ⅱ处键的代号为
GB/T 1096。

（二） 中间轴的设计计算
1. 已知该轴的功率、转矩、转速

2. 计算作用在齿轮上的力
（1）大齿轮上的力

（2） 小齿轮上的力

3. 初步确定轴的最小直径
先按《机械设计》式15-2初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为40Cr，调质处理。根据表15-3，最小直径处弯矩较大，故A0取较大值，A0=112，于是得

按有一个键槽增大轴径7%，则。
4. 轴的结构设计
（1）拟定轴上零件的装配方案

根据设计要求，选择如图所示装配方案（详见装配图），由于轴径与小齿轮直径相差不大，故轴与齿轮采用一体的加工方案。
（2） 初步选择滚动轴承。
因轴承所受轴向力、径向力不大，故选用单列深沟球轴承。初选02系列、标准精度级的单列深沟球轴承6206，尺寸。
其余尺寸如图所示。
（3）键的选择。
查《机械设计课程设计》表14-1选择安装大齿轮处键的代号为 GB/T 1096。

（三）低速轴的设计计算
1. 已知该轴的功率、转矩、转速

2. 计算作用在齿轮上的力

3. 初步确定轴的最小直径
先按《机械设计》式15-2初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45号钢，调质处理。根据表15-3，由于该轴为伸出轴，最小直径在伸出端，弯矩较小，故A0取较小值，A0=105，于是得

最小直径为安装联轴器处直径。
按有一个键槽增大轴径7%，则。
为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号。
联轴器的计算转矩，查表14-1，运输机取，则
按照计算转矩应小于联轴器公称转矩，查手册，选用LX3型弹性柱销联轴器，其公称转矩为。半联轴器的孔径取38mm，故取轴径为38mm，半联轴器长度L=82mm，与轴配合段毂孔长度L1=60mm。

4. 轴的结构设计
（1）拟定轴上零件的装配方案

根据设计要求，选择如图所示装配方案（详见装配图）。
（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1）为了满足半联轴器的轴向定位要求，Ⅶ-Ⅷ 段左端需制出一轴肩，故取 Ⅵ-Ⅶ 段直径为42mm。轴为保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，Ⅶ-Ⅷ 段长度应比L1略短一些，取59mm。
2）初步选择滚动轴承。因轴承所受轴向力、径向力不大，故选用单列深沟球轴承。初选02系列、标准精度级的单列深沟球轴承6209，尺寸。
其余尺寸如图所示。
3）键的选择。
查《机械设计课程设计》表14-1选择安装大齿轮处键的代号为GB/T 1096。
安装联轴器处键的代号为GB/T 1096。

五、 轴的校核

（一） 高速轴的校核
1. 做出轴的计算简图及弯矩图

（1） 水平面上受力分析

（2） 垂直面上受力分析

（3） 危险截面处水平弯矩、垂直弯矩、总弯矩及扭矩列表

载荷
水平面H
垂直面V
支反力F

弯矩M

总弯矩

扭矩T

2. 按弯扭合成应力校核轴的强度
根据上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，，轴的计算应力

前已选定轴的材料为40Cr，调质处理，由表15-1查得。因此，故安全。

（二） 中间轴的校核
1. 做出轴的计算简图及弯矩图

（1）水平面上受力分析

（2）垂直面上受力分析

（3）危险截面处水平弯矩、垂直弯矩、总弯矩及扭矩列表
载荷
水平面H
垂直面V
支反力F

弯矩M

总弯矩

扭矩T

2. 按弯扭合成应力校核轴的强度
根据上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，，轴的计算应力

前已选定轴的材料为40Cr，调质处理，由表15-1查得。因此，故安全。
3. 精确校核轴的疲劳强度

（1） 判断危险截面
截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ不受扭矩作用，截面Ⅳ应力大，但轴径也较大，截面Ⅴ应力较大，轴径较小，且同时受扭矩作用，故危险截面为截面Ⅴ，因而该轴只需校核截面Ⅴ左右两侧即可。
（2） 截面Ⅴ右侧
抗弯截面系数
抗扭截面系数
截面Ⅴ右侧的弯矩为

截面Ⅴ上的扭矩为
截面上的弯曲应力

截面上的扭转切应力

轴的材料为40Cr，调质处理。由表15-1查得。
过盈配合处的，由附表3-8用插值法求出，并取，于是得
轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为

未经表面强化处理，取。
故得综合系数为

由《机械设计》§3-1、§3-2，查得
所以轴在截面右侧的安全系数为

故可知其安全。
（3） 截面Ⅴ左侧
抗弯截面系数
抗扭截面系数
截面Ⅴ左侧的弯矩为

截面Ⅴ上的扭矩为
截面上的弯曲应力

截面上的扭转切应力

截面上由于轴肩而形成的理论集中系数及按附表3-2查取。因，，经插值后查得

又由附图3-1可得轴的材料的敏性系数为

故有效应力集中系数按式（附表3-4）为

轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为

未经表面强化处理，取。
由图3-2、3-3得
故得综合系数为

所以轴在截面左侧的安全系数为

故该轴在截面Ⅴ左侧的强度也是足够的。

（三） 低速轴的校核
1. 做出轴的计算简图及弯矩图

（1）水平面上受力分析

（2）垂直面上受力分析

（3）危险截面处水平弯矩、垂直弯矩、总弯矩及扭矩列表

载荷
水平面H
垂直面V
支反力F

弯矩M

总弯矩

扭矩T

2. 按弯扭合成应力校核轴的强度
根据上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，，轴的计算应力

前已选定轴的材料为45号钢，调质处理，由表15-1查得。因此，故安全。

六、 滚动轴承的寿命计算

轴承预期寿命为5年，。
（一） 高速轴轴承校核
1. 轴承型号为6205，查《机械设计课程设计》表15-2得

2. 轴承受力分析

两个轴承的径向力分别为

且轴承2受轴向力
3.计算当量动载荷
由查得，取
因为，故当量动载荷

4.验算轴承寿命

故轴承寿命足够，合格。

（二） 中间轴轴承校核
1.轴承型号为6206，查《机械设计课程设计》表15-2得

2.轴承受力分析

两个轴承的径向力分别为

且轴承2受轴向力
3. 计算当量动载荷
由查得，取
因为，故当量动载荷

4.验算轴承寿命
由于，故取计算轴承寿命

故轴承寿命足够，合格。

（三）低速轴轴承校核
1.轴承型号为6209，查《机械设计课程设计》表15-2得

2.轴承受力分析

两个轴承的径向力分别为

且轴承1受轴向力
3.计算当量动载荷
由查得，取
因为，故当量动载荷

4.验算轴承寿命

故轴承寿命足够，合格。

七、键的选择和校核计算

（一）高速轴上与联轴器相连的键
1. 选择键的类型和尺寸
由于在轴端，故选择单圆头普通平键，材料为45号钢。
根据该段轴的直径为d=20mm，查表14-1得键的尺寸为
2. 校核键连接的强度
查《机械设计》表6-2得
传递的转矩
键与轮毂键槽的接触高度
键的工作长度
由式（6-1）得

故键的强度合格。
取键标记为 GB/T 1096 键

（二） 中间轴上与大齿轮相连的键
1. 选择键的类型和尺寸
选择圆头普通平键，材料为45号钢。
根据该段轴的直径为d=34mm，查表14-1得键的尺寸为
2. 校核键连接的强度
查《机械设计》表6-2得
传递的转矩
键与轮毂键槽的接触高度
键的工作长度
由式（6-1）得

故键的强度合格。
取键标记为 GB/T 1096 键

（三）低速轴上与大齿轮相连的键
1. 选择键的类型和尺寸
选择圆头普通平键，材料为45号钢。
根据该段轴的直径为d=50mm，查表14-1得键的尺寸为
2. 校核键连接的强度
查《机械设计》表6-2得
传递的转矩
键与轮毂键槽的接触高度
键的工作长度
由式（6-1）得

故键的强度合格。
取键标记为 GB/T 1096 键

（四） 低速轴上与联轴器相连的键
1. 选择键的类型和尺寸
由于在轴端，故选择单圆头普通平键，材料为45号钢。
根据该段轴的直径为d=40mm，查表14-1得键的尺寸为
2. 校核键连接的强度
查《机械设计》表6-2得
传递的转矩
键与轮毂键槽的接触高度
键的工作长度
由式（6-1）得

故键的强度合格。
取键标记为 GB/T 1096 键

八、滚动轴承的组合设计

（一） 轴的支承结构形式和轴系的轴向固定
普通齿轮减速器，轴的支承跨距较小，常采用双支承各单向固定。轴承内圈在轴上可用轴肩或套筒作轴向定位，轴承外圈用轴承盖作轴向固定。设计双支承各单向固定是，应留有适当的轴向间隙，以补偿工作室轴的热伸长量。
对于固定间隙轴承（以上使用的深沟球轴承），可在轴承盖与箱体轴承座端面之间设置调整垫片，在装配时通过调整垫片来控制轴向间隙。

（二） 轴承盖的结构
选用凸缘式轴承盖。用螺钉固定在箱体上，调整轴系位置或轴系间隙时不需开箱盖，密封性也较好。

九、 润滑与密封

（一） 滚动轴承的润滑
齿轮的圆周速度小于2m/s，故选用脂润滑。
为防止轴承中的润滑脂被箱内齿轮啮合是挤出的油冲刷、稀释而流失，需在轴承内侧设置封油盘。

（二） 齿轮的润滑
由于高速级齿轮的圆周速度，故选用中负荷工业齿轮油（L-CKC320）。

（三） 轴外伸出的密封
在减速器输入轴和输出轴的外伸端，应在轴承盖的轴孔内设置密封件。
选择毡圈密封。查表16-10得
输入轴轴径，选择毡圈 22 FZ/T 92010-1991
输入轴轴径，选择毡圈 42 FZ/T 92010-1991

十、减速器附件的选择

1. 窥视孔和视孔盖
窥视孔应设在箱盖顶部，便于观察齿轮啮合区的位置。窥视孔处应设计凸台以便于加工。
视孔盖平时用螺钉紧固在凸台上盖住窥视孔，视孔盖下应加防渗漏的垫片。选用Q235制造，M6螺钉紧固。
2. 通气器
通气器设置在视孔盖上，选用二次过滤的通气器，尺寸M18。
3. 油面指示器
油面指示器应设置在便于观察且油面较稳定的部位，如低速轴附近。
选用油标尺作为油面指示器，尺寸为M12。
4. 放油孔和螺塞
设置一个放油孔。由于圆柱螺纹螺塞自身不能防止漏油，因此在箱座上装螺塞处设置凸台，并加封油垫片，垫片用耐油橡胶制成。放油孔设置在箱座底部油池的最低处，并在放油孔附近做成凹坑，便于将污油放尽。
5. 起吊装置
箱盖和箱座上分别设置吊耳，具体位置见装配图。
6. 起盖螺钉
起盖螺钉型号M12x20，直径一般与箱体凸缘连接螺栓直径相同，与连接螺栓布置在同一直线上，便于钻孔。起盖螺钉的螺纹有效长度应大于连接凸缘的厚度。起盖螺钉端部制成圆柱形并光滑倒角或半球形，以免反复拧动时损坏螺钉端部螺纹。
螺钉材料为35号优质碳素结构钢。
7. 定位销
应使两定位销到箱体对称轴线的距离不等，并尽量远些，以提高定位精度。
选用圆锥销 GB/T 117 10x26。

7级精度
小齿轮40Cr
大齿轮45号钢

mn=1.5mm

7级精度
小齿轮40Cr
大齿轮45号钢

mn=2mm

高速轴强度合格

中间轴强度合格

低速轴强度合格

高速轴轴承合格

中间轴轴承合格

低速轴轴承合格

GB/T 1096 键
强度合格

GB/T 1096 键
强度合格

GB/T 1096 键
强度合格

GB/T 1096 键
强度合格

十一、设计小结

参考资料
【1】 《机械设计课程设计》 李兴华 主编 清华大学出版社
【2】 《机械设计》（第八版） 濮良贵 主编 高等教育出版社
【3】 《机械制图》 许连元 主编 同济大学出版社
【4】 《机械设计课程设计》 王昆 主编 高等教育出版社